CN116294248B - 一种基于太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统，包括高倍非成像聚光器、太阳能真空管、支撑结构，支撑结构上设置凹槽，凹槽内设置高倍非成像聚光器，高倍非成像聚光器中心设置太阳能真空管；该聚光系统使用无需跟踪、工作时间可灵活调整的全等面非成像聚光器用于同步收集直散辐射，将所收集到的太阳辐射能转化成有用能供给，以供不同系统进行运转；本发明所提供的全等面非成像聚光系统，在实现无需跟踪动态调整、高倍聚光产生高温热能用于各类系统综合使用的同时，又实现了生产制造聚光镜面无差别替换的优点，显著提高了聚光器在户外运行时对天气、季节的适应性，具有更友好的工程应用潜力。

Description

一种基于太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统。

背景技术

文明的繁荣发展促使人们对生活品质需求一再提升，而环境污染的生态格局与能源来源的储备格局却成为其中的重大阻碍，因此应对能源紧缺及环境生态是刻不容缓的两大重要挑战。提高可再生能源在能源发展中的主体地位，加大其技术发展与产能供给是面对化石能源短缺问题的有力解决手段，不仅能够高效缩小对化石能源的需求，还有助于减轻环境污染来源。

作为储量巨大，分布广泛的可再生能源，太阳能资源被合理高效地开发和利用具有显著的经济效益。然而太阳辐射能量经过大气层折射等原因，到达地面时的密度较低，对于工农业中的太阳能热利用需求难以有效满足。通过几何聚光的方法不仅使得太阳辐射能量密度高倍增长，还能够有效扩展吸收体采集太阳辐射能量的范围，进一步拓宽太阳能的应用领域。

跟踪型太阳能聚光系统具有聚光比较大、集热温度高等优点，但仍存在跟踪要求高、建设成本大等亟待解决的问题。

发明内容

为了解决常规太阳能聚光系统存在的问题，本发明基于极端光线原理构建了一种太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统，实现了非成像聚光器高倍聚光、同步采集太阳直散辐射、能量收集过程更加稳定，并有效降低了其运行过程的热损失，且光热转换过程中吸收体处于静态运行状态，有利于降低集热工质泄漏的风险，还优化了系统生产组装环节从而降低建设成本，具有更好的工业生产应用前景。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：

一种基于太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统，包括高倍非成像聚光器1、太阳能真空管2、支撑结构3，支撑结构3上设置凹槽，凹槽内设置高倍非成像聚光器1，高倍非成像聚光器1中心设置太阳能真空管2。

所述高倍非成像太阳能聚光器1由多个全等面平板聚光面1-1组成，多个全等面平板聚光面1-1以太阳能真空管2为对称轴，对称设置，多对全等平板聚光面共同作用，当入射光线在接受半角内时，聚光器将光口采集到的太阳辐射能量高倍汇集到太阳能真空管2吸收体，输送给吸收体进行光热转换来优质的有用能，高倍非成像聚光器1全部均可基于太阳能真空管的轴心线方向旋转，因而其可在白昼时间内高效运行并会聚太阳光线到太阳能真空管2吸收体上，相较于常规的非成像聚光器能够采集到更为优质的太阳能资源，使得该聚光系统具有更友好的工程应用潜力，且非成像太阳能聚光器足以同步采集直散辐射，进一步提升集成系统的太阳辐射收集能力。

所述支撑结构3两端支撑板高于内部凹槽，太阳能真空管2两端放置在支撑板上。

所述高倍非成像聚光器1底部的四个平板聚光面组成“W”型，“W”型的中的“V”字型的两个平板聚光面不连接，形成排水口1-2。

所述太阳能真空管2包括吸收内管2-1、隔热外管2-2，吸收内管2-1设置在隔热外管2-2内。

本发明的有益效果是：

1、实现了非成像聚光器的聚光比倍增

通常非成像聚光器多用于低倍聚光，因此在工业制造中难以普及应用。本发明具有高倍聚光的光学特性，提高了非成像太阳能聚光器在工业生产中的使用潜力与发展前景，并可达到全天内可靠运行。

2、避免聚光器与日同频的跟踪

本发明聚光系统可以在可接收角内高度汇集太阳辐射能量到达吸收体的外表面，避免了聚光器高精度的逐时调整，显著提升了跟踪系统的可靠性，即使聚光系统产生了一定的动摇，聚光器仍可高效会聚光线，有效降低了聚光系统的户外工作风险性。

3、增强系统集热过程稳态运行能力

常规的高倍聚光系统只有在太阳直射辐射能够到达地面时才能会聚能量达到吸收体，但系统在实际的工程应用中需面对复杂多变的天气情况，导致有效输出有用能的稳定性差。本发明针对天空辐射特性可同步收集太阳直射辐射和散射辐射，天空散射辐射存在于整个白天，与本发明聚光系统的工作特点契合，可平稳地将太阳辐射运送到吸收体的表面，具有面对复杂天气情况的能力。

4、同步采集直散辐射

通常高倍的太阳能聚光器仅可汇集太阳光的直射辐射，而实际情况下太阳辐射除直射辐射外也包含散射辐射；本发明的聚光器在汇集太阳光时，不只汇集太阳直射辐射，还能够汇集一定的太阳散射辐射，优化了聚光器整体的光学性能。

5、聚光器静态运行有益于有用能的供给

本发明聚光系统可绕吸收体轴线方向进行旋转，系统运行时仅需整体移动，吸收体则可静态收集太阳辐射能，利于布置集热工质的输送通道。此外集热工质通道的长期静态工作，有益于减少集热工质的局部流动损耗与降低运行过程中流体的泄漏量。

6、具有更多的吸收面参与光热转换

在高倍太阳能聚光系统中，通常仅有少数吸收面参加光热转换过程，而部分吸收面长期处于未启用或半启用态势，导致吸收体工作时表面具有明显的温度梯度，对吸收体的稳态工作带来影响；本发明的吸收体在运行时吸收面几乎全部参与光热转换过程，消除吸收体表面的温度梯度，有益于聚光系统持久地高效运行，其集热工质的受热过程更为均匀、可靠。

7、避免了吸收体热应力对聚光面结构的不利影响

传统的非成像太阳能系统聚光器与吸收体彼此紧密连接，在系统运行时采集太阳辐射能量的吸收体会产生热量并形成一定的热应力，温度较低的聚光面会受到传递过来的热应力影响，易导致其面型产生形变甚至损坏，降低整个系统光学性能。本发明在空间上有效分离聚光器与吸收体，对吸收体向聚光器传递的热应力产生阻断效应，有益于避免热应力产生的不良影响。

8、聚光系统便于安装维修

本发明可将聚光器与吸收体分离，提升了允许安装误差的区间，有利于构建大规模的系统平台；考虑到系统安装后的维修问题，可在仅调换损坏聚光面的情况下，通过部分拆卸和二次安装解决。

9、避免了聚光系统在实际应用中的积液影响

常规的非成像聚光器的聚光面是一体化无间隙生产的，本发明将聚光面底部的结构分离以预留出排水口，可有效消除因天气因素导致的积雪、积水与灰尘等不利影响，提升了对复杂多变环境状况的适应性，增加工程应用的稳定性，更符合聚光系统的整体布局需求。

10、减免了集成系统导热损失

常规的非成像太阳能系统中，聚光器与吸收体相互连接，导致受热的吸收体与聚光器之间会产生热传导，因而造成系统热损失；本发明中将聚光器与吸收体分离，且二者之间还存在部分真空夹层，使得该导热损失可以忽略不计。

11、避免了聚光面反射涂层的快速老化

由于本发明将聚光器与吸收器彼此分离，吸收体受热之后也难以将热能传递到聚光器内，有效消除聚光面反射涂层的受热老化问题，避免因此而造成系统的光学效率降低。

12、易于工业运输调度

常规的非成像聚光器的聚光面主要是弧形的，而本发明的聚光面由多对全等的平板反射面组成，避免了在生产运输过程中因集成面型的碰撞与震荡而产生的不利影响，降低了如固定、防震或间隔保护的运输成本。

13、有利于减少系统对流和辐射热损失

本发明的吸收体位于聚光器的采光口内，由于聚光器的保护，吸收体工作时流经表面的平均风速降低，其外表面对流热损失减少，且吸收体对天空的角系数也因处在聚光器采光口内而降低，使得其对周围环境的辐射热损失也同步减少。

14、有益于降低集成系统重心

太阳能聚光系统总质量的主要组成部分大体分为吸收体自重以及它内部装载的集热工质流体，本发明将吸收体耦合于聚光器的采光口内，在整体上有效放低全系统的重心，有益于减少系统工作时的起伏或晃动，提升系统本身的抗风性与稳定性。

15、聚光面更易于工业制造

本发明选取聚光器与吸收体在空间上分离运行的工作方案，由于聚光器与吸收体之间实现了有效分离，系统各个面形之间的加工无需价格高昂的一体化生产设备，不仅节省耗材成本，还可有效控制工业化生产成本。

附图说明

图1是本发明基于太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统的几何结构示意图；

图2是本发明系统聚集来自采光口垂直入射光线的示意图；

图3是本发明系统聚集来自采光口倾斜入射光线的示意图；

图中：1为高倍非成像聚光器，1-1为全等面平板聚光面，1-2为排水口；2为太阳能真空管，2-1为吸收内管，2-2为隔热外管；3为支撑结构；4为入射的太阳光线。

实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

实施例

一种基于太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统，包括高倍非成像聚光器1、太阳能真空管2、支撑结构3，支撑结构3上设置凹槽，凹槽内设置高倍非成像聚光器1，高倍非成像聚光器1中心设置太阳能真空管2，高倍非成像太阳能聚光器1由多个全等面平板聚光面1-1组成，支撑结构3两端支撑板高于内部凹槽，太阳能真空管2两端放置在支撑板上，多个全等面平板聚光面1-1以太阳能真空管2为对称轴，对称设置，多对彼此连接的全等平板聚光面共同作用；高倍非成像聚光器1底部的四个平板聚光面组成“W”型，“W”型的中的“V”字型的两个平板聚光面不连接，形成排水口1-2，雨天下雨产生的雨水通过排水口1-2流入支撑结构3内部，支撑结构3底部和侧面设通孔，水从支撑结构3内部通过该通孔流出，太阳能真空管2包括吸收内管2-1、隔热外管2-2，吸收内管2-1设置在隔热外管2-2内。

在图2中，高倍非成像太阳能聚光器1中可将来自采光口垂直入射的太阳光线4会聚到吸收体的吸收内管2-1表面，在这过程中光线还穿过了透明的隔热外管2-2；也可将来自采光口倾斜入射的太阳光线4会聚到吸收体的吸收内管2-1表面，见图3，这表明了高倍非成像太阳能聚光器1对来自采光口的入射的太阳光线4具有显著的友好性，有效提升了高倍非成像太阳能聚光系统光热转换过程的稳定性（例如在系统运行时，未因刮风导致聚光器产生剧烈的晃动，系统依然可实现高效聚光）。

无论是垂直入射还是倾斜入射的太阳光线4到达太阳能真空管2表面后，都能被吸收内管2-1转换为热能传递到内部集热工质，在集热工质的流动下从而实现有用能的输出，本发明使用的太阳能真空管2为常规市购产品。

还可以根据需要将系统旋转一定的角度，使得高倍非成像聚光器1在所有白昼时间内都能高效会聚来自其采光口入射的太阳光线4，相对于常规的非成像聚光器可收集更多的太阳辐射能，有效提升了非成像聚光器工程应用性。

另一方面高倍非成像聚光器1可在接受半角内高效会聚太阳辐射到达吸收体表面，因此跟踪系统无需高精度动态调整，降低了跟踪系统的技术要求，显著提升了系统的户外运行适应性。

此外高倍非成像聚光器1在工作时，可实现直散辐射同步收集，增加了系统的采光量，并且太阳能真空管2吸收体自身及其内部的流体是太阳能聚光系统总质量的重要组成部分，由于本发明太阳能真空管2吸收体在聚光器采光口内部，这样就降低了整个系统的重心，有利于增强系统的抗风性、降低系统运行时的往复晃动、提升系统的稳定性。

高倍非成像聚光器1由底部平板聚光面和两侧平板聚光面共同构成，共包含多对全等的平板聚光面，降低工业制造成本、简化包装物流调度、减少维护维修和二次安装等的难度，提升了实用经济性。

本发明选取聚光器与吸收体在空间上分离运行的工作方案，系统各个面形之间的加工无需价格高昂的一体化生产设备，不仅节省耗材成本，还可有效控制工业化生产成本。

常规的非成像聚光器的聚光面主要是弧形的，本发明的聚光面则是由多对全等的平板反射面组成，避免了在生产运输过程中因面型碰撞与震荡产生的不利影响，有效降低了如固定、防震或间隔保护的运输成本。聚光器与吸收体分离还提升了允许安装误差的区间，有利于构建大规模的系统平台，利于部分拆卸和二次安装，减少了聚光系统的维护成本。

Claims (3)

1.一种基于太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统，其特征在于，包括高倍非成像聚光器（1）、太阳能真空管（2）、支撑结构（3），支撑结构（3）上设置凹槽，凹槽内设置高倍非成像聚光器（1），高倍非成像聚光器（1）中心设置太阳能真空管（2）；

所述高倍非成像聚光器（1）由多个全等面平板聚光面（1-1）组成，多个全等面平板聚光面（1-1）以太阳能真空管（2）为对称轴，对称设置；

所述高倍非成像聚光器（1）底部的四个平板聚光面组成“W”型，“W”型的中的“V”字型的两个平板聚光面不连接，形成排水口（1-2）。

2.根据权利要求1所述基于太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统，其特征在于，所述支撑结构（3）两端支撑板高于内部凹槽，太阳能真空管（2）两端放置在支撑板上。

3.根据权利要求1所述基于太阳能真空管吸收体的全等面非成像聚光系统，其特征在于，所述太阳能真空管（2）包括吸收内管（2-1）、隔热外管（2-2），吸收内管（2-1）设置在隔热外管（2-2）内。